多向模锻技术的研究与应用

文/任运来，牛龙江，任杰，曹峰华·上海多向模锻工程技术研究中心

多向模锻是一种先进的锻造技术,它可一次成形出中空且侧壁带有凸台或多方向枝丫的复杂锻件，锻件形状尺寸更接近零件，材料利用率高，机械加工量少；锻件流线完整，抗应力腐蚀性好，疲劳强度高。使锻件更好地满足了机器、电力装备、石油化工装备、航空航天装备、船舶车辆等制造行业和国防建设发展的需求，已成为锻造技术家族中一个有良好发展前景和广泛应用的分支。为了加速多向模锻技术的推进,试验研究了四种阀体的多向模锻工艺,在满足锻件尺寸的条件下，锻件重量减少15%，坯料重量降低28%。

多向模锻及其特点

从两个或更多个方向对包含在可分合模腔内的坯料施加工艺力，使坯料成形的模锻方法，称为多向模锻。如图1所示。同其他模锻方法相比，多向模锻有如下特点：

图1 多向模锻工艺

(1)可成形中空且侧壁带有凸台的复杂锻件。图2所示是采用多向模锻技术锻造的缸体锻件。

图2 中空且侧壁带有凸台锻件

(2)可设置多个分模面，能成形外壁具有多方向枝丫的复杂锻件。图3所示是采用多向模锻技术锻造的飞机球形接头锻件。

图3 球形接头锻件

(3)锻件形状尺寸更接近零件，材料利用率高，机械加工量少，图4所示是采用多向模锻技术锻造的油泵壳体锻件。

图4 油泵壳体锻件

(4)锻件流线完整，抗应力腐蚀性好，疲劳强度高。图5所示是采用多向模锻技术锻造的三通阀体解剖的流线分布。

图5 三通阀体流线

(5)坯料在三向压应力条件下挤压成形，可提高材料热塑性，允许很大的一次性变形。对于变形温度区间窄的低塑性材料的成形具有特别的意义，图6所示是采用多向模锻技术锻造的导弹喷嘴锻件。

(6)由于多向模锻成形需要在多个方向对模腔内的坯料施加工艺力，因此要用专门的锻造设备—多向模锻压机。图7所示是美国Cameron公司设计制造的100MN多向模锻压机。它的垂直合模压力为100MN，垂直穿孔压力为27MN，水平压力为2×55MN。

图7 Ccameron100MN多向模锻压机和完成的锻件

多向模锻技术的应用

电力装备制造中的应用

当前，世界范围内火电仍然是主要的电力资源，为提高热效率，正逐渐由亚临界到超临界，再向超超临界的方向发展，蒸汽压力达30MPa～35MPa,蒸汽温度达593℃～600℃或更高的参数。在高温、高压、高湿度和酸性气氛中，除要求阀体、管件有高的强度和良好的耐高温性能外，还要求阀体、管件有优秀的耐应力腐蚀能力。多向模锻生产的阀体、管件恰恰满足上述技术要求。

核电装备制造中的应用

核电站由核岛与常规岛组成，在核电站中，核岛替代了火电机组中的锅炉，核岛阀门除要求具有火力发电阀门的性能外，因内部介质水有强烈放射性，绝对不允许有泄漏，要求阀门、管件产品有高的可靠性、安全性，在质量管理方面，比其他行业阀门、管件的技术要求更为严格。必须满足ASME技术标准，该标准把阀门、管件都视作耐压容器。除此之外，为提高核电阀门、管件和结构件安全性，尽量减少焊缝数量，因而它们的形状变得更为复杂。只有采用多向模锻技术，才能生产出满足技术要求和复杂形状要求的锻件，如图8所示。

图8 采用多向模锻技术锻造电站阀体锻件

在核电站中，核电阀门、管件和结构件的数量大、应用面广，它们连接整个核电站的300余个系统，是核电站安全运行的关键附件。据统计，全世界现有核电机组500余座，总装机容量达四亿千瓦以上。有闸阀、截止阀、止回阀、蝶阀、安全阀、主蒸汽隔离阀、球阀、隔膜阀、减压阀和控制阀等；具有代表性阀门的最高技术参数为：最大口径DN1200mm(核3级的蝶阀)、DN800mm(核2级的主蒸汽隔离阀)、DN350mm(核1级的主回路闸阀)；压力约15MPa，温度约350℃。

石油化工装备制造业中的应用

石化装备中的许多管件、泵、阀体等零部件服役于高压或高温或强烈腐蚀的条件下，这些阀体要符合美国API6A标准。采用多向模锻生产这些零件，不仅节材，而且提高其强度和抗腐蚀能力，如图9所示。典型零部件有井口装置的单闸板、双闸板、有无导流孔的锻钢平行式闸阀、泥浆阀、角式节流阀、油田专用平行式调节阀、油田专用直通式回阀、注水/聚合物专用平行式闸阀、卡箍式平行闸阀、先导式安全阀和止回阀。

图9 石油化工装备需求多向模锻件

天然气输送管线应用的单闸板、双闸板、有无导流孔的平板闸阀；锻钢三体式、上装式固定球球阀；油密封式、压力平衡式旋塞阀；旋启式、蝶式止回阀，通球止回阀；清管阀等。

航空装备制造业中的应用

飞机等航空设备离地升空和返回地面的耗能和安全性需要尽可能减小其重量；另一方面，为提高设备的载货能力，又需要增大设备的尺寸或重量，除此之外，设备在恶劣条件下有高的抗冲击、抗疲劳能力，也是这些航空设备成败的关键。为此，增加一次锻造过程中零件成形的复杂度，提高零件的整体性和零件内部流线分布的合理性与连续性，可有效提高锻件的使用性能。直升飞机的发动机球头、一般飞机起落架等重要零件都采用多向模锻工艺锻造制坯，图10所示是飞机起落架零件。

图10 飞机起落架零件

多向模锻工艺的研究

多向模锻工艺研究

阀体是多枝丫的空心零件，采用多向模锻技术进行锻造制坯，既可以直接锻出大部分内腔，又可省掉飞边，具有最佳的技术与经济效益。为此，完成了以下四种阀体的多向模锻工艺研究，并获得生产应用。

(1)无法兰三通阀体的多向模锻。

图11所示是火电机组应用的一种无法兰三通阀体，它的三个通道出口都没有法兰，采用焊接的方法与外部管道连接。

图11 无法兰三通阀体

无法兰三通阀体的另一形状特点是，主通道内径远大于两侧通道，且主通道深，它的技术难点是两侧分料均匀，主通道穿孔偏差小和较高的主穿孔凸模寿命。

(2)带侧法兰三通阀体的多向模锻。

带侧法兰三通阀体多用于石油化工行业，其形状见图12，它的技术难度较无法兰三通阀体大，主要集中在两侧法兰的成形与测通道的穿孔。

图12 带侧法兰三通阀体

带侧法兰三通阀体的多向模锻，通常它是由主模腔挤压坯料向两侧模腔流动分料，由于两侧臂部模腔较细长,坯料流动阻力大且不等,导致两侧分料不均，造成后面法兰成形不佳，其次是，端部坯料降温大，再加上坯料端部形状差，更加影响法兰的最后形状与尺寸。

(3)带主法兰三通阀体的多向模锻。

带主法兰三通阀体的形状，如图13所示，其名字源于它的主通道端部带有法兰，由于法兰与侧通道之间，有一小圆柱段，当分模面垂直于主轴线时，锻件不能脱模，因此，采用现有多向模锻液压机进行锻造时，必须采用垂直分模方式，并增加辅助合模装置。

图13 带主法兰三通阀体

(4)全法兰三通阀体的多向模锻。

全法兰三通阀体的几何形状，如图14所示，它的每个通道端部都设有法兰，其名也得于此，是几何形状最复杂的阀体。

图14 全法兰三通阀体

由于几何形状复杂，它的成形过程也相应更为复杂，它兼具前面三种阀体的锻造成形的技术难点，首先它需要采用垂直分模的锻造方式，其次是法兰成形与坯料的分料同时进行，再次是坯料的分料流动量大。

结论

(1)给出了多向模锻的定义，分析总结了多向模锻的技术优势和经济效益。为更好的了解多向模锻技术提供方便。

(2)试验研究四种阀体的多向模锻工艺，锻造出相应的锻件，为阀体锻造生产提供了技术参考与依据。